【正文】 U ——電樞電壓（ V） 3 I——電樞電流（ A） R——電樞回路總電阻（ ? ） ? ——?jiǎng)?lì)磁磁通（ Wb） Ke——有電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 從機(jī)械特性來(lái)看，就是通過(guò)改變電樞電壓 U，減弱勵(lì)磁磁通 ? ，或改變電樞回路電阻 R 等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。 速度調(diào)節(jié)，可以通過(guò)手動(dòng)給定信號(hào)并通過(guò)中間放大、保護(hù)等環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速人為給定，不能自動(dòng)糾正轉(zhuǎn)速偏差的方式稱為開(kāi)環(huán)控制。在很多情況下我們希望轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，即轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載及電網(wǎng)電壓等外界擾動(dòng)而改變。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)能自動(dòng)調(diào)節(jié)，即采用閉環(huán)控制。在實(shí)際的應(yīng)用中，我們主要還是采用閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 調(diào)速的分類 一、無(wú)級(jí)調(diào)速和有級(jí)調(diào)速 無(wú)級(jí)調(diào)速，又稱連續(xù)調(diào)速，是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以平滑的調(diào)節(jié)。其特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速變化均勻，適應(yīng)性強(qiáng)而且實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)自動(dòng)化，因此，在工業(yè)裝置中被廣泛采用。 有級(jí)調(diào)速，又稱間斷調(diào)速或分級(jí)調(diào)速。他的轉(zhuǎn)速只有有限的幾級(jí)，調(diào)速范圍有限而且不容易實(shí)現(xiàn)調(diào)速自動(dòng)化。 二、向上調(diào)速和向下調(diào)速 電動(dòng)機(jī)未作調(diào)速 時(shí)的固有轉(zhuǎn)速，即為電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的額定轉(zhuǎn)速，也稱為基本轉(zhuǎn)速或其速，一般地，在其速方向提高轉(zhuǎn)速的調(diào)速稱為向上調(diào)速。如直流電動(dòng)機(jī)改變磁通進(jìn)行調(diào)速，其調(diào)速極限受電動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和換向條件限制。反之，在其速方向降低轉(zhuǎn)速的調(diào)速稱為向下調(diào)速。例如改變直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速的極限即最低轉(zhuǎn)速，主要受轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的限制。 三、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即在調(diào)速過(guò)程中不同的穩(wěn)定速度下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是常數(shù)。 如果選擇的調(diào)速方法能使電磁轉(zhuǎn)矩 Te ? I＝常數(shù)，則 在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，電機(jī)無(wú)論在高速或低速下運(yùn)行，其發(fā)熱情況始終是一樣的。這就是電動(dòng)機(jī)容量能得到合理而充分的利用。這種調(diào)速方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。如當(dāng)磁通一定，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓或電樞回路電阻的方法，就屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。 恒功率調(diào)速，具有恒功率特性的負(fù)載，是指在調(diào)速過(guò)程中負(fù)載功率 PL 為常數(shù)的負(fù)載，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL=? n1 (? 為勵(lì)磁調(diào)節(jié)系數(shù) )，這時(shí)，如果采用上述恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，使 調(diào)速過(guò)程保持 Te∝ I，則在不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流將不同，并在低速時(shí)電動(dòng)機(jī)將會(huì)過(guò)載，因此，要保持調(diào)速過(guò)程電流恒定，應(yīng)使功率? I，這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電樞電壓一定時(shí)，減弱磁通的調(diào)速方法屬于恒功率調(diào)速。用恒功率調(diào)速方法去帶動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載也是不合理的，在高速時(shí)電機(jī)會(huì)過(guò)載。 4 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo) 任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求，歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制的要求主要有一下三個(gè)方面： 1）調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速 和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分有級(jí)和無(wú)級(jí)調(diào)速。 2）穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。 3）加、減速。頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減盡量快，以提高生產(chǎn)率，不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。 為了進(jìn)行定量分析，針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義了兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)。 一 . 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速 nmax 和最低轉(zhuǎn)速 nmin 之比叫做調(diào)速范圍。通常用字母 D 表示，即 D＝ minmaxnn 其中 nmax 和 nmin 一般指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。 二．靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 ? nN 與理想空載時(shí)轉(zhuǎn)速 no 之比，稱作靜差率 S。 S= nonN? ? 100% 顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性的，他和 機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高，此外，靜差率也與工作速度有關(guān)，速度越高，靜差率越小，速度越低時(shí)。靜差率越大，由此可見(jiàn)，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提出才有意義。 對(duì)于調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系如下： 在直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，設(shè)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為 ? nN，設(shè)系統(tǒng)靜差率是最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率。即 S＝ minnonN? ＝ nNn nN???min 于是 minn ＝ SnN? － nN? ＝ S nNS ?? )1( 調(diào)速范圍 D＝ maxmin minNnn? maxmin minNnn? 將上面的 nmin 式代入，得 D＝ )1( SnN SnN ?? ? 上式即為 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所滿足的關(guān)系，對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系 5 R2 R1 A UPE M Un* △ Un ＋ ＋ － － ＋ Uc Ud － ＋ － － ＋ Un Utg Id n TG 統(tǒng)， ? nN 值一定時(shí)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 S 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍越小。于是，一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 單 閉 環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng) 單 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，如圖 2－ 1 所示 . 圖 2－ 1 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 測(cè)速電機(jī) TG 作為速度反饋元件，其輸出電壓 Utg＝ N Ce，從電位器 R2 得到電壓 Un，便是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 Un，它與從電位器 R1 上取得的給定電壓作比較后，得到偏差電壓 △ Un＝ Un*－ Un，經(jīng)過(guò)放大器 A 后，便成為晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓 Uc，該系統(tǒng)只有一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，故稱為單閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)。 靜特性 設(shè)負(fù)載電流 IL＝ Ia1 時(shí)，電位器 R1 給出一定電壓，在放大器的輸入 電壓 △ Un,晶閘管觸發(fā)裝置的控制電壓 Uc ，它的控制角為 1? ，平均整流電壓為Ud1，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在由 Ud1 決定的工作點(diǎn) a 處，轉(zhuǎn)速為 1n ，如圖 2－ 2 所示，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大時(shí)，負(fù)載電流就增大，如增大到 Ia2，相應(yīng)的電樞回路電阻壓降增大，轉(zhuǎn)速隨之下降。若是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，則穩(wěn)定運(yùn)行于 Ud1 決定的特性的工作點(diǎn)b′處。但在閉環(huán)系統(tǒng)中，速度反饋元件 TG 的輸出電壓隨著轉(zhuǎn)速的下降而減小，即反饋電壓 Un 減小，使偏差電壓 △ Un1 增加至 △ Un2，通過(guò)放大器放大，控制電壓增加至 Uc2，控制角減小到 2? ，晶閘管裝置的輸出電壓提高到 Ud2，增加的整流電壓用以補(bǔ)償電阻壓降增量的很大部分，而 系統(tǒng)工作在 Ud2 決定的特性的工作點(diǎn) b 處。所以穩(wěn)態(tài)速度降落比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)小很多。 6 圖 2－ 2 閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性 以上分析了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和靜特性，下面推導(dǎo)出系統(tǒng)的靜 特性 方程 ，先作如下假設(shè)： (1) 忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中得各環(huán)節(jié)的輸入 —輸出關(guān)系都是的，或者只取其線性工作段。 (2) 忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻 。 這樣，由圖得出各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié) *Un U Un? ? ? 放大器 Uc Kp Un?? 晶閘管觸發(fā)和整流裝置 Udo KsUc? 調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性 dUdo I Rn Ce?? 測(cè)速反饋環(huán)節(jié) Un n?? 以上各關(guān)系中 Kp ——放大器的電壓放大系數(shù)； Ks ——晶閘管 的電壓放大系數(shù)； ? ——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)； Udo——電力電子變換器理想空 載輸出電壓。 將上述關(guān)系式整理后，得出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 n ＝ *(1 / )K p K sU Id RC e K p K s C e??? ＝ *(1 )KpKsUC K? － (1 )RIdCe K? 其中 K＝ KpKsCe? 稱做閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)。 n n1 Ia Ia4 Ia3 Ia2 Ia1 b′ d c b a Ud4 Ud3 Ud2 Ud1 7 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 閉環(huán)系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)系 統(tǒng)的關(guān)系 如果斷開(kāi)反饋回路，則上述系統(tǒng)就成了開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，其機(jī)械特性為： n＝ Udo IdRCe? ＝ *KpKsUnCe － RIdCe ＝ onop － onp? 則閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可寫成 n＝ *(1 )KpKsUCe K? － (1 )RIdCe K? ＝ onl － onl? 式中 onop ， onl 分別表示開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載， onp? ， onl? 表示開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。比較開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，我們可以得出以下結(jié)論： (1)．閉環(huán)的理想空載轉(zhuǎn)速 onl 為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的 onop 的 1／（ 1＋ k）。 (2).若 onl 和 onop 相等，對(duì)于相同的負(fù)載，閉環(huán)系統(tǒng)的速降是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的 1／ (1＋ K)倍。說(shuō)明閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性硬。 (3). 如果要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的 (1＋ K)倍。 綜合上述三點(diǎn)，提高閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù) K 是增大系統(tǒng)的調(diào)速 范圍，減小靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效措施。而 K＝ KpKs? ／ Ke， K 要足夠大，必須設(shè)置放大器，并增大其放大系數(shù) Kp；也可增大速度負(fù)反饋系數(shù) ? (? ≤1)。 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 為了對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)分析，須建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過(guò)拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示，建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本 步驟如下： 1)根據(jù)系統(tǒng)中個(gè)環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程。 2)求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。 3)組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 下面我們將分別給出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 1．直流電機(jī)的傳遞函數(shù) 額定勵(lì)磁下他勵(lì)直流電機(jī)的等效電路如圖 2－ 3 所示： 8 圖 2－ 3 直流電動(dòng)機(jī)等效電路 規(guī)定正方向如圖所示。假如主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為： ddIU d o R I d L Edt? ? ? E Cen? 忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 2375L GD dnTe T dt?? 電磁轉(zhuǎn)矩 Te CmId? 式中 LT ——包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ ）。 2GD ——電力拖動(dòng)系 統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量（ N. 2m ）。 Cm ——額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（ ／ A）， Cm ＝ 30? Ce ，將上述微分方程式加以整理可得 ()dL dIU d o E R I d T dt? ? ? LId Id? ＝ TmR dEdt 其中 LT ＝ L／ R—————電磁時(shí)間常數(shù)； Tm＝2375GD RCeCm———電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)； /LLId T C m? ————過(guò)載電流（ A）。 在零初始條件下，將上面的等式兩邊進(jìn)行拉式變換，得 電壓 與電流之間的傳遞函數(shù)： ()( ) ( )Id sUdo s E s? ＝ 1/1L RTS? 電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)： ()( ) ( )dLEsId s I s? ＝ RTmS R Id L Udo n, Te TL － + + － E M 9 根據(jù)上面兩式并考慮 n＝ E／ Ce 即可得到額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)得動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2－ 4 所示 ： 圖 2－ 4 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)得動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由圖 2－ 4 可知，直流電動(dòng)機(jī)有 兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓 Udo，一個(gè)是負(fù)載電流 IdL。前者是輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果要在結(jié)構(gòu)圖中顯示電流 Id，可將 IdL 的綜合點(diǎn)前移，進(jìn)行等效變換，其結(jié)構(gòu)圖如圖 2－ 5 a）所示，如果是理想空載，則 Td